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现代物理学基础的思考之四:广义相对论的思考.doc
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现代物理学基础的思考之四:《广义相对论的思考》
目录
第一章 广义相对论之前对于引力场的研究
万有引力定律的发现
万有引力定律的验证
.万有引力常数的测定
.引力场的数学特征
.刚体的转动惯量
.万有引力定律的困难
.引力与斥力问题
狭义相对论与引力场
第二章 广义相对论的时空观
.广义相对论的引力场方程
.马赫对于经典力学的批判
广义相对性原理分析
两种时空观的对比
广义相对论的奇点问题
第三章 广义相对论的验证
.引力的传播速度问题
.引力红移问题
.行星的进动问题
.引力波问题
.时空弯曲的天文学依据
.时空延缓的广义相对论效应
第四章 中微子问题
.中微子的发现的过程及其在现代物理学中的意义
.中微子的种类
.中微子的质量问题
.太阳中微子失踪之谜
1
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第五章 广义相对论的困难
.爱因斯坦场方程的 局限
.宇宙常数问题
.现代物理学对于宇宙常数的认识
.广义相对论与宇宙学原理之间的不协调性
.广义相对论的几个疑难问题
第六章 暗物质与暗能量
.暗物质与暗能量在现代物理学中的意义
.暗物质问题的提出过程
.现代物理学对于暗物质的理论研究
.现代物理学对于暗物质问题的天文观察简介
.暗能量问题的提出过程
.现代物理学对于暗能量实验研究综述
.现代物理学界对于暗物质与暗能量的实验探究
.现代物理学对于暗物质、暗能量的质疑
第七章 万有引力与弱相互作用之间的关系新探
.宇观世界、宏观世界、微观世界
.弱相互作用力简介
.弱相互作用与电磁相互作用统一的研究
.电弱统一作用质疑
第八章 广义相对论困难的思考
.弱相互作用与万有引力是互为反作用力的实验根据
.薛定谔猫佯谬的重新认识
.“ 海格立斯双星进动”问题和 衰变的新解释
.“提丢斯——波得( !)法则”
.行星进动问题
.太阳系主要特征演化成因
.行星自转速度的现状
.月亮远离地球现象
".卡西米尔效应#$%!&!'
(.太阳光谱线“红移”理论推导错误
2
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.地球光谱线“蓝移” 理论推导错误
.最新关于天文学报到的难以解释的几个天文现象
第九章 时空的相对性与绝对性
.时空的相对性
.现代物理学对于真空的认识
.引力场的能量属性
.相对时空的本质
广义相对论与马赫原理关系一窥
.广义相对论与以太
.时空的绝对性
时空的相对性与绝对性原理
3
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第一章 广义相对论之前对于引力场的研究
1.万有引力定律的发现
牛顿曾经讲过:我不是从物理上而是从数学上把力分为吸引力和排斥力的,我用“吸引”
这个字眼,不过是想一般地用它来表示任何一种使物体彼此趋近的力,而不管其原因何在
当我说到吸引中心时,不要以为我是在想把真正的具有物理意义的力,归诸只是些数学的
点的某些中心;我所说的“吸引”可以通过冲击或其他我所不知道的方式来实现;不依靠任
何一种东西的中间参预,而可以穿过空间,超越距离地把作用和力,从一个物体传递到另
一物体,这样一种说法,对我来说尤其荒谬。我相信,凡在哲学方面有思考才能的人,决
不会陷入这种谬论之中。牛顿在谈到他在 年间一系列重要发现时写道:“这一年里,
我开始想把重力推广到月球的运行轨道上去,在求出了在内球面上一个旋转的小球对球面
的压力后,我就从行星运转周期的平方同它们到太阳的平均距离的立方成正比的开普勒定
律#开普勒定律——第一定律: ,!<,第二定律: ,第三定律:
,其中 ! 是离心率,) 是正焦弦, 是半长轴, 是椭圆轨道的周期; 是因各个
行星#卫星'而异的常数,* 是对每个行星#卫星'都相同的常数.此外,轨道上任一点的速度
表达式为: '推导出:使行星保持在它们的轨道上的力必定与它们到旋转中
心的距离的平方成反比。而后把使月球保持在它轨道上所需要的力和地球表面的重力做了
比较,发现它们近似相等。所有这一切都是在 年和 年瘟疫流行的年代里发现
的。那时我正处于发明创造的青春年代,并且比任何时候都更关心数学和哲学。”万有引力
定律作为两个物体之间的一种合理表达,必须保证陈述的平权性。也就是说,人们所考察
的两个物质对象,没有理由说,其中的某一个对象占优,不能简单视为一种经验公式,而
隐含着一切有关标量场的物理学陈述必须的平权性,以及一切物理学所必须的物质基础所
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共同构造的逻辑必然。
下面回顾一下万有引力定律的推导过程————以地球绕太阳运动为例加以说明。如
图 所示,设地球质量为 %,运行速率为 +,周期为 ,地球与太阳之间的距离为 ,地球
运动所需的向心力为 ,,太阳的质量为 -。
(图 )
把地球绕太阳的运动简化为匀速圆周运动,太阳对地球的引力提供地球运动的向
心力。由圆周运动关系式 和向心力公式 得 ①
令 , ,则 ②
根据牛顿第三定律,太阳吸引地球的力和地球吸引太阳的力是一对作用力和反作用力 ,
它们应当有相同的性质,即地球对太阳的吸引力的表达式应为 ③
由牛顿第三定律知,, 和 ,.的大小相等,得 ,得 ,即
④ ,将 ④ 代入② 得 即 。
笔者认为从上面的推导过程可以看出,当初人们已经认识到地球与太阳之间的引力具
有平权性,才得出引力与质量乘积成正比。万有引力定律是根据实验规律——开普勒定律
抽象引申出来的,与观测事实高度吻合,严格讲应该看做是一个实验规律。
一切科学陈述所必须的平权性特征,全部地依赖于科学陈述的客观性原则,或者说自
然科学物质第一性原则。在平方反比率力场中,为距离函数所关联的场点和源点,处于一
种完全对等的地位。对于人们所关心的某一个物质对象,它的所在位置可以视为场点;相
反,当考虑其对于其他物质对象作用时,它的位置又可以称为源点。因此在平方反比率场
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太阳
地球
M
r F
m
v
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